دستاوردهای عظیم (۸۴): اختراع اولین ترانزیستور

ترانزیستور اولین وسیله‌ای بود که می‌توانست سیگنال‌های الکتریکی را تقویت کند، که می‌تواست خاموش یا روشن شود، و جریان الکتریکی را به شارش بیندازد و یا آن را مهار کند؛ که اولین بار توسط John Bardeen (1908-1991), William B. Shockley (1910-1989), and Walter H. Brattain (1902-1987) اختراع شده‌است و از آن به عنوان “مهم‌ترین اختراع قرن بیستم” عنوان می‌شود. 

ترانزیستور از مواد نیمه‌رسانا ساخته‌شده‌بود، گرمای خیلی کمی تولید می‌کرد و بسیار قابل‌اطمینان بود، و به این دلالیل باعث شد تا انقلابی را در زمینه کوچک‌‌سازی مدارهای پیچیده ایجاد کند.  ترانزیستور که درعصر اطلاعات به دنیا معرفی شد، زمینه را برای توسعه تقریبا تمام تجهیزات الکترونیکی را فراهم کرد؛ از رادیوها و رایانه‌ها گرفته تا شاتل‌های فضایی. Bardeen، Shockley و Brattain به پاس مطالعات ارزشمندشان در زمینه مواد نیمه‌رسانا و کشف اثرات ترانزیستور ، جایزه نوبل فیزیک ۱۹۵۶ را کسب کردند.

پیدایش ترانزیستور برخلاف تصور اکثر افراد، به دنبال یک مشکل بازاریابی رقم می‌خورد. در اوایل قرن بیستم، AT&T کاملا درگیر یک مشکل بزرگ بود، شرکت می‌خواست تا سرویس‌های تلفن خود را برای شکست رقیبش در سراسر قاره عرضه کند. بنابراین به بازوی تحقیقاتی خود، ازمایشگاه‌های Bell روی آورد تا ابداعاتی را در جهت تامین این نیاز خود ترتیب دهند.  

در این زمان، تکنولوژی تلفن براساس لوله‌های خلا بود، که اساسا لامپ‌های نوری را که شارش الکترونی را کنترل می‌کردند، تنظیم می‌کنند تا جریان را تقویت کنند. اما لوله‌های خلا زیاد قابل‌اطمینان نبودند؛ انرژی زیادی را مصرف می‌کردند و گرمای تولیدی بیشتر از آن بود که برای نیازهای AT&T به کار بیاید. علاوه بر آن، دانشمندان آزمایشگاه‌های Bell کشف کردند که ارتباط تلفنی بین قاره‌ای نیازمند استفاده از امواج با فرکانس با فرکانس بسیار بالا بود و لوله‌های خلا توانایی ایجاد لرزش‌های بسیارریز را نداشتند.

تیمی از دانشمندان نخبه در آزمایشگاه‌های Bell جمع شدند تا با استفاده ازمواد جامد نیمه‌رسانا، جایگزینی را برای لوله‌های خلا پیدا کنند. Shockley کهPh.D. فیزیک خود را در سال ۱۹۳۶ از MIT گرفته‌بود و همان سال هم به استخدام آزمایشگاه‌های Bells درآمده‌بود، به عنوان سرپرست تیم انتخاب شد. او تعدادی دانشمند مانند Brattain و Bardeen را برای پروژه انتخاب کرد.

Walter Brattain از سال ۱۹۲۹ در ازمایشگاه‌های Bell مشغول به کار بود، و در آن سال Ph.D. فیزیک خود را از MIT گرفت. فیلد تحقبقاتی موردعلاقه او خصوصیات سطوح جامدات بود. John Bardeen فیزیکدان نظری بود که پیش‌زمینه‌ی مهندسی صنعت نیز داشت. Ph.D. خود را از دانشگاه Priceton گرفت و به عنوان استادیار دانشگاه Minnesota مشغول به کار بود؛ در این هنگام بود که Shockley از او دعوت کرد که به گروه بپیوندد.

تیم کار خود را با جست‌وجو برای یافتن راه‌های جدید برای تقویت جریان آغاز کرد. در سال ۱۹۴۵ Shockley  چیزی را طراحی کرد که امیدوار بود اولین تقویت‌کننده نیمه‌رسانا باشد، دستگاهی که از یک سیلندر کوچک پوشیده با سیلیکون، ایستاده بر روی یک صفحه فلزی کوچک، تشکیل شده‌بود.دستگاه کار نکرد، و Shockley، Bardeen  و Brattain  را مامور کرد که چرایی آن را بیابند.

در سال ۱۹۴۷، طی بازه زمان ۱۷ نوامبر تا ۲۳ دسامبر که به ماه معجزه معروف شد، Brattain  و Bardeen آزمایش‌هایی را انجام دادند تا بفهمند که چرا دستگاه Shockley تقویت نمی‌کند. آن‌ها متوجه شدند که بر روی سیلیکون چگالش روی می‌دهد. آیا عامل بازدارنده همین بود؟ Brattain همین ازمایش را در زیر اب انجام داد، به طور غیرعمدی بزرگ‌ترین تقویت آن زمان را انجام داد. Bardeen یا دیدن نتایج هیجان‌زده شد و پبشنهاد کرد که آزمایش را طوری طراحی کنند که از یک نوک فلزی(طلایی) در محیطی آبی استفده شود تا درون سیلیکون فرو برود، تقویتی صورت گرفت اما متاسفانه مقدار ان خیلی کم بود.  

اما دانشمندان از همان نتایج ضعیف نیز بسیار هیجان‌زده شدند و برای چندین هفته آزمایش‌های متعددی را با استفاده از مواد مختلف انجام دادند. آن‌ها سیلیکون را با ژرمانیوم جایگزین کردند که باعث شد تقویت‌سازی ۳۳۰ بار بزرگ‌تر از دفعات پیشین باشد، اما تنها در جریان‌هایی با فرکانس پایین عمل می‌کرد؛ در حالیکه خطوط تلفن نیاز دارند تا از پس فرکانس‌های بسیار پیچیده صدای انسان بربیایند.

سپس مایع اطراف را با لایه‌ای از ژرمانیوم اکسید پوشاندند. وقتی برخی لایه‌های ژرمانیوم اکسید به طور اتفاقی تحلیل رفت، Brattain آزمایش را با فروکردن نوک طلایی به ژرمانیوم ادامه داد و در نهایت توانست مقدار تقویت را به سطح قابل‌قبولی برساند، بلکه این عمل در همه فرکانس‌ها قابل‌انجام بود. تماس طلا سوراخ‌هایی را در ژرمانیوم ایجاد کرد و این سوراخ‌ها تاثیر الکترون‌ها بر سطح را ازبین بردند همان کاری را که اب انجام می‌داد. اختراع آن‌ها در نهایت جریان را در هر فرکانسی تقویت می‌کرد.

Bardeen  و Brattain به دو نتیجه مهم دست یافتند: توانایی تقویت‌سازی در مقیاس بزرگ در بازه‌ای از فرکانس‌ها و تقویت کوچک به ازای همه فرکانس‌ها. هدف بعدی آن‌ها این بود که این دو را با هم ادغام کنند. مواد اساسی موردنیاز برای دستگاه تا اینجای کار ژرمانیوم و دو نوک فلزی که به فاصله ۱ میلی‌متری هم بودند. با وجود این‌ها، Brattain  یک رویان طلایی را اطراف یک مثلث پلاستیکی پیچید و آن را از یک نقطه برش داد. وقتی نوک مثلث با ژرمانیوم تماس پیدا می‌کرد، جریان الکتریکی از یک پایه طلایی وار می‌شود و در حالیکه افزایش می‌یافت، از پایه دیگر بیرون می‌آمد. سرانجام به پایان کار رسیدند؛ آن‌ها اولین ترانزیستور تماس نقطه‌ای را ساخته بودند. در ۲۳ دسامبر Shockley، Bardeenو Brattain مثلث پلاستیکی خود را در قسمت VIP آزمایشگاه گذاشتند و عنوان رسمی به خود گرفت: اولین تقویت‌کننده جامدی که کار می‌کرد.